数值计算结果及分析

国内外研究人员采用CFD对止回阀流动特性的分析较为深入，比如李树勋、侯英哲、李连翠等[5]针对旋启式止回阀关闭时容易产生水击问题，应用Fluent软件对普通及改进后两种模型的关闭过程进行数值模拟计算；张键平、曾祥炜、陈刚[6]采取Fluent软件对比分析了梭式止回阀与旋启式止回阀的流动特性；Selimovic F、Polster M等[7]对旋启式止回阀作了动态仿真分析，获得了止回阀的流场、温度场及速度场等结果；Lee Joon-Ho、Park Young-Chul等[8]采用CFD软件对止回阀的流量系数进行了研究，重点分析了不同流速下止回阀的水头损失。这些研究为本次对新型斜置双瓣止回阀的流动特性分析提供了借鉴。

本文采用CFD软件分析止回阀内部流动特性的目的是获得止回阀在不同开启角度下的进出口压力损失。根据前文中的设置进行计算，残差图总体呈现下降趋势，最后残差基本维持在一个较低的数值不再变化，判定流场不再发生变化，终止计算并查看结果，计算过程中的残差图如图4.9所示。

主要分析了止回阀开启30°、50°、70°、80°及全开（88°）时的内部流动特性，斜置双瓣止回阀开启30°时的压力云图、湍动能图、速度云图及速度矢量图如图4.10所示。

图4.9　计算残差图

图4.10　开度30时数值模拟结果

当止回阀开启角度为30时，阀门进口压力为101991.8Pa，出口压力为100103.85Pa，通过计算可得：斜置双瓣止回阀开启30°时进出口压力损失P1为1887.95Pa。斜置双瓣止回阀开启50°时的压力云图、湍动能图、速度云图及速度矢量图见图4.11所示。

图4.11　开度50时数值模拟结果

当止回阀开启角度为50°时，阀门进口压力为101416.27Pa，出口压力为100647.66Pa，经过计算可得：斜置双瓣止回阀开启50°时进出口压力损失P2为768.61Pa。斜置双瓣止回阀开启70°时的压力云图、湍动能图、速度云图及速度矢量图见图4.12所示。

当止回阀开启角度为70°时，阀门进口压力为101320.2Pa，出口压力为100846.57Pa，经过计算可得：斜置双瓣止回阀开启70°时进出口压力损失P3为473.63Pa。

斜置双瓣止回阀开启80°时的压力云图、湍动能图、速度云图及速度矢量图见图4.13所示。

图4.12　开度70时数值模拟结果

图4.13　开度80时数值模拟结果

当止回阀开启角度为80时，阀门进口压力为101307.53Pa，出口压力为100942.12Pa，通过计算可得：斜置双瓣止回阀开启80°时进出口压力损失P4为365.41Pa。

斜置双瓣止回阀全开状态下的压力云图、湍动能图、速度云图及速度矢量图见图4.14所示。

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图4.14　全开状态下数值模拟结果

当止回阀阀瓣全开时，阀门进口压力为101340.12Pa，出口压力为101027.09Pa，通过计算可得：斜置双瓣止回阀在全开状态下进出口压力损失P5为313.03Pa。

斜置双瓣止回阀在5个开度下进出口压力损失如表4.10所示，压力损失特性图见图4.15所示：

表4.10　斜置双瓣止回阀在部分开度下的压力损失

图4.15　斜置双瓣止回阀压力损失特性图

从止回阀压力损失特性图可以看出，随着开度的不断增大，止回阀进出口的压力差不断减小，止回阀内部结构对流体流动的影响不断减小，止回阀压力损失越小。

止回阀内部流动可以看成是紊流流动，阀门流阻系数可按下式计算：

式中：K——流阻系数，阀门进出口压力损失的一个无量纲系数；

Δp——压力损失，水流经阀门进出口的压力降，单位为Pa；

ν——流速，按照流量Q及管道内径D所计算得到的平均水流速度，单位为m/s；

ρ——流体密度。

以止回阀在全开工况下为例，流速ν=1m/s，全开工况下压力损失Δp=313.03P a，代入上式可求得流阻系数为0.63。当流速ν=1m/s时，斜置双瓣止回阀在5个开度下的流阻系数及流量系数见表4.11所示：

表4.11　理论流阻系数及流量系数表

根据参考文献[2]中所列普通止回阀流阻系数表，斜置双瓣止回阀与其他止回阀性能对比情况见表4.12所示。

表4.12　止回阀流阻系数对比表

从表4.12中可以看出，采用斜置双瓣结构的止回阀在全开工况下的流阻系数小于其他类型的止回阀，而且随着流速的不断增大，斜置双瓣止回阀的流阻系数会不断减小，能耗也会降低。